技术领域
[0001] 本发明涉及医疗设备领域，特别涉及一种用于骨水泥的遥控注入装置及其远程遥控注入方法。
相关背景技术
[0002] 骨水泥注射多采用间断手动推注，需要连续“C”臂透视进行多次监测，增加操作者和用户辐射伤害的同时，骨水泥推杆徒手推动在控制注入剂量、速度方面存在人为性差异，推力过小、单次注入量过少可能造成骨水泥分布不良，推力过大、单次注入量较多又可能增加骨水泥渗漏风险分布不均匀。
[0003] 因此，设计一种骨水泥遥控注入装置以实现骨水泥精准控制注入量的同时解决人为差异存在的推力不对称问题是十分必要且又相当迫切的。
具体实施方式
[0050] 为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
[0051] 用于骨水泥的遥控注入装置，如图1所示，包括基座1、旋转机构2、进给机构3、快拆机构4、导管5、助推机构6和调速机构7，其中，基座1为锥形结构，下表面直径大，能够增加第一端与地面的接触面积，并且底部配重，降低重心，防止骨水泥遥控注入装置操作过程中发生倾翻，导管5为柔性材质，适用于多方位多角度情况下的连接。
[0052] 基座1的第一端和地面连接，基座1的第二端和旋转机构2的Z轴扭矩转盘206连接，旋转机构2的支架202和进给机构3的第二壳体301连接，进给机构3的保护套筒302和快拆机构4中填充器403的外壳连接，快拆机构4中填充器403的安装端通过导管5和助推机构6的注射器针筒601连接，助推机构6的第二滚珠丝杆608和调速机构7的第二齿轮704连接。
[0053] 旋转机构2，如图2所示，包括Y向转轴201、支架202、Y向壳体203、Y轴扭矩转盘204、第一壳体205和Z轴扭矩转盘206，Z轴扭矩转盘206的轴线和基座1的轴线垂直，Y向壳体203设有导向槽，支持大角度的导向，增加旋转稳定性和工作范围，支架202为U型结构，第一壳体205为L型。
[0054] Z轴扭矩转盘206的第一安装端和基座1连接，Z轴扭矩转盘206的第二安装端和第一壳体205的第一端固定连接，第一壳体205的第二端和Y向壳体203的第一端连接，Y向壳体203的第二端和Y轴扭矩转盘204的第一安装端固定连接，Y轴扭矩转盘204的第二安装端和Y向转轴201的第一端连接，Y向转轴201的第二端和支架202的第一端固定连接。
[0055] 进给机构3，如图3和图4所示，包括第二壳体301、保护套筒302、导向杆303、限位板304、摩擦片305、步进电机306、丝杆螺帽307和第一滚珠丝杆308，支架202的第二端通过摩擦片305和蝶形螺母与第二壳体301的第一安装端固定连接，蝶形螺母方便手动调节，通过调节蝶形螺母对摩擦片305的挤压程度不同，实现松紧度的调节，步进电机306的外壳和第二壳体301的第二安装端固定连接，步进电机306的输出轴和第一滚珠丝杆308的输入端连接，第一滚珠丝杆308的输出端和丝杆螺帽307的第一安装端连接，丝杆螺帽307的第二安装端和保护套筒302的第一安装端连接，导向杆303对称分布在第一滚珠丝杆308的两侧，导向杆303的两端分别与第二壳体301的第三安装端和限位板304连接。
[0056] 具体而言，摩擦片305对称布置于第二壳体301的两侧，保护套筒302、限位板304、步进电机306的输出轴、丝杆螺帽307和第一滚珠丝杆308的轴线在同一条直线上。
[0057] 快拆机构4，如图5所示，包括填充器外壳401、距离传感器402和填充器403，通过距离传感器402反馈的距离值，时刻了解骨水泥填充器末端的伸入位置，填充器外壳401设有与导管5对接的接口，填充器外壳401设有快拆槽，快速拆装填充器403。
[0058] 保护套筒302的第二安装端位于填充器外壳401的内部，保护套筒302的第二安装端穿过限位板304的第二安装端和填充器外壳401的第一安装端连接，填充器外壳401的第二安装端和填充器403的第一安装端连接，填充器403的第二安装端和第三安装端分别与距离传感器402和导管5的第一端连接。
[0059] 进一步地，为了保证快拆机构4安装的可靠性，填充器外壳401第二端的四个顶角设有磁性柱体，磁性柱体在骨水泥填充器外壳401第二端四个角均匀分布，填充器403第一端的四个顶角设有磁性凹槽，磁性柱体和磁性凹槽连接。
[0060] 助推机构6，如图6所示，包括注射器针筒601、压紧板602、第一轴承座603、注射器推杆604、推板605、导向管606、第三壳体607、第二滚珠丝杆608和第二轴承座609，注射器针筒601的送料端和导管5的第二端连接，注射器针筒601的进料端和注射器推杆604的第一端连接，注射器针筒601的安装端通过压紧板602和第三壳体607的第一安装端连接，注射器推杆604的第二端和推板605的第一安装端固定连接，推板605的第二安装端和第二滚珠丝杆608的中部连接，导向管606对称分布于第二滚珠丝杆608的两侧。
[0061] 导向管606的两端分别与第一轴承座603和第二轴承座609上端的第一安装端连接，第二滚珠丝杆608的两端分别与第一轴承座603和第二轴承座609上端的第二安装端连接，第一轴承座603和第二轴承座609的下端分别与第三壳体607的第二安装端和第三安装端固定连接。
[0062] 优选地，注射器针筒601、注射器推杆604和推板605的第一安装端的轴线在同一条直线上；第一轴承座603、推板605的第二安装端、第二滚珠丝杆608、第二轴承座609和第二齿轮704的轴线在同一条直线上。
[0063] 调速机构7，如图7所示，包括伺服电机701、电机支架702、第一齿轮703和第二齿轮704，电机支架702的第一安装端和第三壳体607的第四安装端固定连接，伺服电机701的外壳和电机支架702第二安装端固定连接，伺服电机701的输出轴和第一齿轮703的中心连接，第一齿轮703的齿端和第二齿轮704的齿端啮合，第二齿轮704的中心和第二滚珠丝杆608的输入端连接。
[0064] 如图9所示，在本发明的第二方面中提供一种用于前述骨水泥的遥控注入装置的遥控注入方法，包括基于UNet图像语义分割的注入装置监测和基于压力传感器的注入安全控制，具体操作步骤如下：
[0065] 基于UNet图像语义分割的注入装置监测的具体包括以下步骤：
[0066] S1、用户俯卧在手术床上，将CT机就位拍摄X影像传输到遥控注入装置的微型计算机中。
[0067] S2、微型计算机利用预先训练好的UNet(含有编码器和解码器的U型网络架构)图像语义分割算法模型进行图像处理，计算出骨水泥的待填充区域体积和初注射量。预先训练好的UNet图像语义分割算法模型通过获取骨水泥注入各阶段的骨水泥待填充区域X影像、待填充区域标签制作、图像预处理与数据集扩充和基于UNet图像语义分割算法训练获得。
[0068] S21、针对X影像，提取各切片，利用预先训练好的UNet图像语义分割算法模型进行图像处理，获取各切片的骨水泥待填充区域。
[0069] S22、基于图像比例，结合骨水泥待填充区域的像素点个数，推算出各切片的骨水泥待填充区域的面积si，其中i取1,2,…,n，n为X影像的切片总数。
[0070] S23、基于切片间的实际物理距离，借助微积分原理，估算骨水泥的待填充区域体积。
[0071] S24、取骨水泥的待填充区域体积的80％为初注射量。
[0072] S3、将步骤S2的信息反馈给伺服电机701，伺服电机701控制第二滚珠丝杆608进行填充，设第二滚珠丝杆608的导程为P，伺服电机701的转速为Qr/min，则每秒骨水泥的注入量表达式为：
[0073]
[0074] 式中，V为骨水泥每秒的注入量，Q为伺服电机701每分钟的转速，R为注射器针筒601的半径，P为第二滚珠丝杆608的导程；
[0075] 设骨水泥覆盖待填充区域体积为V0，在注入待填充区域面积80％的骨水泥后，停止伺服电机701。
[0076] S4、在伺服电机701停止后，将CT机拍摄X影像向微型计算机中传输图像，进行图像处理识别出骨水泥已填充区域和待填充区域。
[0077] S5、基于步骤S4的图像识别结果，当骨水泥覆盖待填充区域体积V0超过80％时，调节为手动遥控操作；当骨水泥覆盖待填充区域体积V0不足80％时，调节为自动遥控注射。
[0078] 基于压力传感器的注入安全控制具体包括以下步骤：
[0079] S6、基于步骤S3注射过程中，将搅拌完成后的骨水泥放入注射器针筒601内，通过压力传感器采集注射器推杆604的压力判断骨水泥的状态，通过测得压力值判断注射是否继续进行，伺服电机701的推力计算表达式如下：
[0080]
[0081] 其中，F为伺服电机701的推力；η为第二滚珠丝杆608的传动效率，T为伺服电机701的转矩，L为第二滚珠丝杆608的导程；
[0082] 压力传感器的压力计算表达式如下：
[0083]
[0084] 其中，P为注射器推杆604承受的压力，F为伺服电机701的推力，S为注射器推杆604的头面积；
[0085] S61、当注射器推杆604推注过程中，若压力传感器反馈的压力值小于xMPa时，此时代表骨水泥状态稀疏，不适宜注入，提醒操作者禁止注射。
[0086] S62、当注射器推杆604推注过程中，若压力传感器反馈的压力值大于yMPa时，此时此时代表骨水泥状态硬化，不适宜注入，提醒操作者禁止注射。
[0087] S63、当注射器推杆604推注过程中，若压力传感器反馈的压力值介于xMPa和yMPa之间时，此时继续注射。
[0088] 以下结合图8‑9，对本发明用于骨水泥的遥控注入装置的遥控注入方法做进一步描述：
[0089] 本发明装置的应用场景图，如图8所示，首先用户俯卧在病床上，并在用户腰椎处留有工作通道，通过CT机拍摄X影像，将影像传输到微型计算机中，利用UNet图像语义分割算法进行图像处理，计算出待填充区域，此信息将反馈到操作者手中控制器操作界面。
[0090] 操作者按着注入方法，将搅拌完的骨水泥放入注射器针筒601内，由于装置中导管5两端分别连接至填充器外壳401的导管对接口和注射器针筒601的输出口，且填充器403上的带磁凹槽与填充器外壳401的带磁圆柱磁性过盈配合，因此通过伺服电机701驱动第二滚珠丝杆608带动推板605推动注射器推杆604排空骨水泥填充器末端空气，使注射器针筒601的空气排出。
[0091] 最后通过调节旋转机构2，使填充器403末端与用户腰椎处留有的工作通道处于同心位置，完成上述的预处理操作后，操作者此时将站在远处的保护墙后进行操作。
[0092] 在完成上述预处理操作后，操作者通过操作界面控制进给机构3使填充器403进入用户体内，通过距离传感器402反馈的距离值，操作者可时刻了解填充器403末端伸入位置，此时操作者通过观察操作界面上压力传感器反馈的压力值，判断骨水泥状态，实时进行调整。
[0093] 遥控注入装置的推注控制量根据本具体实施例的实际操作分为点动操作、定量操作和寸动操作等三种操作，三种操作方式具体实现过程如下：
[0094] 1.点动操作，操作者通过操作界面输入推注速度为0.1mm/s，并按下推注按钮，此时骨水泥以0.1mm/s连续注入，操作界面实时反馈已输入量，松手后停止。
[0095] 2.定量操作，操作者通过操作界面输入推注量为2mm和推注速度为0.1mm/s，并按下推注按钮，此时骨水泥以0.1mm/s注入骨水泥，到达2mm后停止。
[0096] 3.寸动操作，操作者通过操作界面输入推注量为0.1mm，并按下推注按钮，可实现0.1mm的增量，实现微量控制。
[0097] 在上述三种推注量控制方式中进行选择，来完成相应的推注过程，在推注过程中操作者通过点击停止按钮停止助推，期间拍摄X影像，将图像传送到微型计算机中，利用UNet图像语义分割算法进行图像处理，计算出已填充区域和待填充区域，将以图像的方式反馈到操作界面，方便操作者做出判断，若水泥分布良好，将继续进行推注；若分布异常，通过调节进给机构3，操作者通过X影像反馈回的图像调整填充器403末端位置至合理位置，继续推注，骨水泥推注完成后，控制进给机构3，使填充器403末端在工作通道内移出，骨水泥遥控注入完成。
[0098] 以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
